三维建模在电力工程勘察设计中的应用

郭献俊

（福建亿兴电力设计院有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

以某110 kV架空线路为例，采用北京百合公司“三维输电线路设计系统”，该软件综合运用数字化协同技术、地理信息技术、三维建模技术，依据输变电三维设计标准研发的设计软件。系统以三维数字地球为信息交互和空间信息展示窗口，集三维测量数据处理、三维杆塔建模、三维金具组装、三维电气设计和三维基础设计于一体。设计完成后，自动输出标准GIM 文件，实现了设计过程可视化、设计成果数字化、设计信息一体化。

1 金具串、导地线、杆塔等建模

1.1 金具串建模

应用软件自带数据库，金具串图形化三维金具组装，可快速组装I 串、V 串，鼠笼跳线串等。组装过程中支持金具连接检查、金具配合尺寸检查、金具碰撞检查和金具荷载匹配，组装后自动计算金具串长度、重量和受风面积。

1.2 杆塔建模

杆塔三维模型准确反映杆塔型式和外形尺寸，包含使用条件、材料、重量、基础作用力、地脚螺栓等信息。

2 倾斜摄影建立三维地理信息模型

方案比选流程：明确线路起止点、周边电网规划→网络下载影像→据村庄分布初选多个路径方案→至市镇部门搜集路网、基本农田、易燃易爆物分布及规划→修改路径方案→确定航拍范围→多方案比选→确定最优方案。近一年多三维设计，获取倾斜摄影航拍细化地理信息数据，各种影像数据对比见表1。

表1 影像数据对比

综合以上对比，本工程采用大疆精灵4 RTK 无人机，以倾斜摄影的形式进行信息采集。并将含有POS 数据的图片进行三维建模。解决了正摄影像存在需要手工建立地物模型、地物高程不准确的难题。为控制成本及建模文件便于处理，本次倾斜摄影模型GSD精度3.29～4.30，建模后可看出所有建筑物外观及三维尺寸。

3 电气设计

3.1 三维选线

根据前述路径方案，按杆塔规划使用条件，首先确定转角杆塔位置，再“提取高程”生成路径中心线、边导线地形曲线。选线时首先从3D 界面确定转角塔位，因肉眼判断出线口的最佳塔位会存在偏差，建议结合2D 断面修改塔位，图1 是线路通道清理控制面。

图1 线路通道清理控制面

3.2 立塔架线

立塔架线有“单个立塔”“桩位立塔”“批量立塔”3 种形式，建议先“桩位立塔”确定转角塔塔型，再“单个立塔”调整转角塔呼高、立直线塔及配置导地线及金具。

立塔架线也可采用二、三维联动方式，该方式可以在所制定路径方案的基础上生成二维平断面图，进行二、三维联动排塔。通过二维平断面可以准确控制杆塔使用条件，通过三维场景可以形象地判断杆塔所处的环境情况。二、三维联动排位，可在二维平断面和三维场景进行随意切换，准确掌握线路交跨距离。联动排位可以提高整体杆塔排位质量。

3.3 电气校验

电气校验包括交叉跨越距离、导线对地距离、导地线配合、线间距离、绝缘子串强度、风偏、塔串碰撞、平行线路间距校验，风偏摇摆角校验，塔串碰撞校验。

设计一般考虑耐张段两侧导、地线张力相同，以减少杆塔不平衡张力，架线时选择固定的导地线安全系数及年平系数。但若档距较大、地线弧垂特性不佳时，导地线配合可能存在不满足“0.012 L+1”，则需调整地线安全系数或年平系数。

“通用设计数据库系统”中直线塔提供Kv 值，本工程按国网深化原则重新规划、深化的杆塔也有Kv 值，但是该Kv 值基于特定的金具串长，而杆塔允许摇摆角随着串长变化而变化，因此杆塔允许摇摆角需根据实际悬垂串串长、均压环位置、均压环大小进行修正。一个工程中同个塔型可能使用不同的悬垂串型，故在二维软件中直线塔摇摆角校验需很多时间。

而三维软件中有杆塔、金具串完整的数据库，风偏摇摆角校验直接以应用串型风偏后对塔构件距离是否满足过电压距离要求来验算，不需要再人为输入杆塔各工况摇摆角，可提高校验准确度、提高工作效率。本三维软件甚至考虑前后杆塔横担等效长度，计算各相导线实际转角，根据各相挂点实际高度，计算各相导线风压再据实算风速计算导线风偏摇摆角，该软件显著提高计算精度。

塔串碰撞校验中，在三维环境下对铁塔复杂节点、铁塔、钢管杆重要连接部位等进行碰撞和连接校验，实现三维可视化校验，提高设计精细化程度和工作效率。

4 结构设计

4.1 基础设计

图2 是基础设计流程图，根据路径方案，现场勘查水文气象、地勘。依据各塔型基础受力的大小，运用“两型三新”和有利于机械化施工的理念，优选出了适合本工程的基础型式：直柱全掏挖、带挡板掏挖基础、PPG 后注浆桩基础等环保基础型式。

图2 基础设计流程

利用三维应用软件完成基础受力验算，形成满足工程需求的基础三维通用模型。在三维基础建模后，通过应用软件进行基础材料、工程量的统计，并输出相应基础图纸及材料统计清册。软件具备逐塔基础规划、设计、比选能力，基础设计首先要进行“高低腿”配置、杆塔荷载导入、水文地质条件输入、基础规划、基础设计，生成基础图。

4.2 杆塔组立及碰撞分析

三维软件按实建模，直观显示各部位塔材规格及连接，可用于辅助选择杆塔选用组立方案，指导构件拼装，检验铁构件之间、金具串与塔身是否存在碰撞。

5 存在不足

5.1 修改交跨线路旧线路弧垂设定

软件中旧线路架线同新建线路，输入导线型号、安全系数、年平系数，但旧线路弧垂可能与理论偏差，软件输入的安全系数、年平系数与实际线路不符，无法准确模拟实际弧垂。建议已建线路输入观测工况的气温、线路、挂点及导线、气象条件等参数后，按图3 流程反算出计算工况弧垂。

图3 旧线路弧垂处理流程

5.2 杆塔使用条件按导地线分别换算

杆塔建模数据包含气象条件、导地线型号，而工程实际设计条件可能略低于杆塔库，特别是覆冰厚度，山区容易出现垂直档距超设计使用条件，而利用覆冰厚度裕度换算后仍是安全的；其次，导、地线弧垂差异大，建议使用条件按导、地线分开换算。

5.3 增加转角塔转角裕度折算水平档距换算

转角塔设计水平档距较小，一般只有400 m，应用中很容易就超过该值，但塔的转角基本都有裕度，而转角裕度可换算水平档距，按此方法计算可大幅增加转角塔使用水平档距，建议软件增加此换算功能，避免三维评审出现校验不通过情况。

5.4 针对倾斜摄影需改进之处

5.4.1 AI 识别地物类型并校验及统计

使用倾斜摄影技术全方位获取地物三维数据及影像，减少现场人工测量交跨物高度及手工建模，大幅提高设计精度及效率。但现软件把所有影像数据均视为地面数据，按对地距离进行校验，要求软件增加AI 技术，智能识别地物类型，针对不同地物执行不同电气校验标准，并进行通道数据统计。

5.4.2 优化规划路网、专题数据显示模式

线路设计时需参照规划路网设计、基本农田等数据，虽然软件具备加载规划数据功能，但是市政部门搜集的规划资料为二维样式，非三维结构，加载后规划路网能贴合DEM 文件，但不能贴合倾斜摄影，使用倾斜摄影进行三维设计时路网显示困难，后期软件需解决该贴合问题。

5.5 汇总不满足要求结果

“电气成果”包含“杆塔使用条件”“交叉跨越校核”“摇摆角计算”“悬挂点应力”“导地线绝缘配合”“绝缘子串校核”等11 项内容，计算书数据量大，但没有突出显示校核不通过地方，也没汇总不满足要求结果，设计排查不便。

6 总结

总体来讲，三维设计以数据建模为核心，替代了以图纸设计为核心的工作模式，实现了二维平面设计向三维设计的转变，其优势主要有下述5 个。

（1）视觉直观。三维软件基于航拍影像，如实体现线路周边地形、地物，线路路径选择可完美避让民房、敏感点，新建线路与敏感地物水平、垂直距离一目了然，设计人员排塔定位可全方位检查，甚至业余人员也能一眼看懂拟建线路。

（2）路径选线方便。三维选线功能，从3D 影像图上选择路径走向，点击“高程提取”可瞬间提取选定的路径走向中心及边导线断面，直观显示有无大档差、地形突出点，设计人员可据此优化路径方案，现场测量前根据生成的断面确定塔位，避免危险点遗漏而造成对地距离不足。

（3）排塔定位快捷。二、三维联动排塔，立塔、架线时即进行电气校验，提高设计效率。

（4）精确计算风偏摇摆角。二维软件校验直线塔风偏临界是个繁琐的过程，需逐塔型、串型放样杆塔结构尺寸、金具串，再计算出杆塔允许摇摆角，计算量大，且人工容易出错。而三维软件有杆塔、金具串三维模型，可准确计算出风偏是否满足要求，大幅提高设计准确率及效率。

（5）构建数定化管理平台。现运维PMS 为二维平台，包含线路路径走向、塔位、塔型、导地线型号、基础、金具、材料供货商，受制于平台为二维构架，只能平面显示。而引进三维设计，建设、运维部门可在此基础上构建数字化管理平台，全方位任意角度查看电网，直观体现电网与周边地物关系，为规划、建设、运维、抢险提供有力支撑。